金属学与热处理第二章 纯金属的结晶

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1、第二章纯金属的结晶结晶：金属由液态转变为晶体金属的过程——金属生产的第一步本章目的：1介绍金属结晶的基本概念和基本过程2阐明金属实际的结晶组织及其控制一、结晶的概念与现象§1金属的结晶结晶概念:物质由液态转变为具有晶体结构的固相的过程称为～——冷却曲线(T-t)低于熔点才发生结晶存在结晶平台纯金属结晶时的热分析曲线特点：1金属结晶的宏观现象(1)过冷现象金属在低于熔点的温度结晶的现象(2)结晶过程伴随潜热释放结晶潜热：液相结晶为固相时释放的热量。2金属结晶的微观过程（1）形核从液体中形成具有一定临界尺寸

2、的小晶体(晶核)的过程。（2）长大多晶体材料（2）长大——晶核由小变大长成晶粒的过程——实际金属最终形成多晶体注：单个晶粒：形核→长大多个晶粒：形核与长大交错重叠进行。**当只有一个晶核时→单晶体**晶核越多，最终晶粒越细二金属结晶的条件1热力学条件热力学：研究系统转变的方向和限度——转变的可能性热力学第二定律：在等温等压条件下，物质系统总是自发地从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变。即ΔG=G(转变后)－G(转变前)<0时转变会自发进行G：体系自由能T：热力学温度S：熵，表征体系中原子排列混乱程度

3、的参数纯金属自由能GS、GL纯金属恒压条件下在液态、固态时的自由能GS、GL随温度的变化如下：斜率不同的原因：S液>S固结晶时只有存在ΔT才能保证：ΔGV=GS－GL<0从而使L→S———结晶需存在过冷度ΔT(T=TmT)熔点Tm时液固两相平衡，故有：稍低于Tm的T温度凝固时，焓(H)和熵(S)随温度的变化不大——忽略，则凝固时的热力学驱动力可以近似表达为：纯金属凝固热力学驱动力的计算结晶潜热熔点温度什么是过冷度（2）过冷度越大，相变驱动力越大——理论结晶温度与实际结晶温度的差值。结论（1）存在过冷

4、度是结晶的必要条件2结构条件结晶：近程有序状态转变为长程有序，并形成金属键结合。液态金属结构特点：(1)原子间距等与固态相近,与气态迥异(2)短距离的小范围内存在近似于固态结构的规则排列——短程有序晶体：长程有序液相中近程规则排列的原子集团称为“相起伏”瞬时2瞬时1结构起伏——又称为结构起伏相起伏或大或小，不同尺寸相起伏出现的几率不同，过大或过小的相起伏出现几率小;(1)瞬时出现，瞬时消失，此起彼伏;由于原子热振动的原因，在液体中存在的这种具有与晶体相近的结构，其形状、尺寸、存在的位置等等都是在不断的变

5、化过程中。相起伏特点(3)过冷度越大，最大相起伏尺寸越大——液体中存在足够大的稳定晶坯即“晶核”——过冷液体中的相起伏称为晶胚结晶的结构条件：液体中存在足够大的稳定晶坯即“晶核”另：尚需能量起伏条件形核方式分为：①均匀形核(自发形核、均质形核)：依靠稳定的原子集团——相起伏②非均匀形核(非自发形核、异质形核)：晶核依附于液态金属中现成的微小固相杂质质点的表面形成。三、形核定义：指从过冷液体中依靠稳定的原子集团自发形成晶核的过程。（1）临界晶核半径结晶驱动力：体积自由能差(GS－GL)结晶阻力：表面能假设

6、晶胚体积为V,表面积为S，则系统总的自由能变化：ΔG=－V·ΔGV+S·σ单位面积表面能液固两相单位体积自由能1均匀形核为讨论的简单，假设形成的晶核为球状：在液相中产生一个半径为r的具有固体晶体结构的小晶胚所造成的体系自由能的变化为：——r↑，结晶阻力项和驱动力项均↑。问题：r多大时可以形核？将上表达式对r求导得临界晶核半径：当r>r0时，①系统的ΔG<0结晶过程可发生；——形成稳定晶核②随r↑，ΔG↓晶核长大为系统自由能降低过程；——晶核可长大r0分析右图ΔG>0,热力学上结晶不可发生，但液相中结构起

7、伏的稳定状态不同：①当r0,按热力学理论L→S不能发生，然而实际上将rk认定为临界晶核尺寸。原因——过冷液体中存在能量起伏,其中高能区可能使ΔG<0。r0注意临界晶核半径与过冷度的关系：——随ΔT↑，rk↓；即:过冷液体中最大晶胚尺寸＝rk时的ΔTΔTk

8、——晶胚成为晶核的临界过冷度事实上，当r＝rk时，系统的ΔG>0,此时：（2）形核功以及形核时的能量起伏现象形核功的引入结晶总阻力形核功：过冷液体形核时的障碍ΔGk＝1/3·(4πr2k)·σ＝1/3·Sk·σ代入球形晶胚自由能表达式可得：事实上，只要r>rk,即为稳定晶核。原因：液体中除结构起伏外，还存在能量起伏故形核功可以依靠能量起伏来补偿结论：除结构起伏外，形核还借助能量起伏形核功的影响因素——随ΔT↑，ΔG↓↓即：增大过冷度，可显著